5土的抗剪强度

限定剪切面不一定是最薄弱面 剪切面上剪应力分布不均匀 剪切面在剪切过程中是逐渐缩小的 不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力
三轴压缩试验
三轴压缩仪的试验原理：
对同一种土至少取3个平行试样，分别在
不同周围压力3 和轴压1 作用下剪切破坏，将
试验结果绘制为若干个极限应力圆。根据莫尔 -库伦理论，这一组极限应力圆的公共切线即 为土的抗剪强度包线，可近似取为一条直线， 直线的方程即为库伦公式所表示的方程。
➢ 试验快 , 水来不及排除
十字板剪切试验
➢ 原位十字板剪切试验是一种利用十字板剪切仪在
现场测定土的抗剪强度的方法。这种方法适用于 在现场测定饱和粘性土的原位不排水强度，特别 适用于均匀的饱和软粘土。
➢ 无需钻孔取得原状土样,从而使土少受扰动,试验
时土的排水条件和受力状态与实际条件十分接近.
第四节 土的抗剪强度指标
平面上的剪应力都小于土所能发挥的抗剪强度
f，
因此不会发生剪切破坏；
（2）圆3实际上不存在；
（3）圆2，说明在A点所代
表的平面上剪应力正好等于 c
抗剪强度 f ，该点
处于极限平衡状态。
土处于极限平衡状态下时
根据极限应力圆与 抗剪强度包线相切 的几何关系，可建 立以下极限平衡条 件：
1 2
固结粘土的大.
➢ 残余强度线为通过坐标原点的直线.
三.无粘性土的抗剪强度指标
紧砂
➢ 紧砂受剪时，颗粒必
须升高以离开它们原 来的位置而彼此才能 滑过，从而导致体积 膨胀，把这种因剪切 而体积膨胀的现象称 为剪胀性。
松砂
➢试验结果表明，对于同一种土，固结排水试验得Baidu Nhomakorabea
到的cd、d与固结不排水试验得到的c'、 '很接近，
由于固结排水试验所需的时间太长，故实用上用c'、
'代替cd、d 。
三种试验结果的强度包线
对同一种饱和粘性土，分别在三种不同的排水 条件下进行剪切试验。如果用总应力表示，将得到 完全不同的试验结果，而以有效应力表示，则不论 采用哪种试验方法，都得到近乎同一条有效应力破 坏包线。
问题:总应力法与有效应力法的优缺点是什么?
总应力法比有效应力法简单,因为试验时不需测量孔 隙水压力,进行稳定分析时也不考虑孔隙水压力,只需 测量总应力即可.但是对于同一种土,施加相同的总应 力,如果试验方法不同,或者说控制的排水条件不同,则 所得的强度指标也就不相同.也就是说,总应力和土的 抗剪强度没有唯一对应的关系,应用较多.
对于饱和软粘土,在不排水条件下,其内摩擦角为 0,此时土体的最大剪应力面即为剪切破裂面.
第二节 抗剪强度的测定方法
➢测定土抗剪强度指标的试验称为剪切试验 ➢按照常用的试验仪器将剪切试验分为
直接剪切试验 三轴压缩试验 无侧向抗压强度试验 十字板剪切试验 ➢近似模拟
直接剪切试验
应变控制式直剪仪
应变控制式直剪仪的试验原理：
土的抗剪强度
内蒙古科技大学 建筑与土木工程学院岩土教研组
王英浩
概述
➢土的破坏主要是由于剪切 引起的，剪切破坏是土体破 坏的重要特点.
➢工程时间中与土的抗剪强 度有关的工程主要有以下3 类:
（1）土质土坝的稳定
（2）土压力
（3）地基的承载力问题
工程实例－土坡稳定
工程实例－土坡稳定
工程实例－土压力
一.库仑公式
1）库伦公式基本形式（总应力抗剪强度公式）
f c tg
式中
— —f 剪切破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度(KPa ) — —破坏面上的法向应力(KPa )
—c—土的粘聚力， (KPa )对于无粘性土，c 0 ——土的内摩擦角(º)
c,称为抗剪强度指标，同一种土，它们与试验方法有关
➢由于只能得到一个有效应力圆，所以不能得到有
效应力破坏包线，不固结不排水试验只用于测定饱 和土的不排水强度，所以可以用无侧限抗压强度试 验代替三轴压缩试验来测定饱和土的不排水抗剪强 度。
➢不固结不排水试验的“不固结”是在保持试样原
来有效应力不变的情况下，在三轴压力室的周围 压力下不再排水固结。如果饱和粘性土从未固结 过，则其中的有效应力为零（先期固结压力也为 零），表现为一种泥浆状土，其抗剪强度必然也 等于零。
一.粘性土在不同固结和排水条件下的抗剪强度指标
1.固结不排水剪试验(又称固结快剪,以符号Cu表示)
➢试验过程 3
土样
u1 0
1 1 3
3
u u2 0
3
3
3
3
3
3
固结不排水试验（CU试验）是在施加周围压力时充分 排水（固结），而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个 试验过程中不允许排水（不排水）。
图中三个实线圆分别表示三个试件在不同的围压 作用下破坏时的总应力圆，虚线表示有效应力圆。 试验结果表明，虽然三个试件的围压不同，但破坏 时的主应力差相等，所以三个总应力圆的直径相同， 所以破坏包线是一条水平线，可得
u 0
f
cu
1 2
(
1
3)
➢由于在不排水条件下，试样在试验过程中含水量
不变，体积不变，改变周围压力增量只能引起孔隙 水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力，各 试件在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变。
2.不固结不排水剪试验(又称快剪,以符号UU表示)
➢试验过程 3
土样
u1 0
3
3
3
1 1 3
3
u u1 u2 0
3
3
3
不固结不排水试验（UU试验）是在施加周围压力时不排水 （不固结），且在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过 程中也不允许排水（不排水）。
➢试验结论
cu 0
u 0
饱和粘性土的不固结不排水试验
工程实例－土压力
工程实例－地基承载力问题
工程实例－地基承载力问题
第一节 土的抗剪强度概述
土的抗剪强度:是指土体抵抗剪切破坏的极限能力。
滑动面(破坏面):当土体受到荷载作用后,土中各点 将产生剪应力,若某点的剪应力达到其抗剪强度,在 剪切面两侧的土体将产生相对位移而产生滑动破 坏,该剪切面称为滑动面或破坏面。
1
3
c
cot
1 2
1
3
sin
化简后得：
粘性土：
1
3
tan2
45
2
2c
tan
45
2
3
1
tan2
45
2
2c
tan
45
2
无粘性土：
1
3
tan2
45
2
3
1
tan2 45
2
破坏面与大主应力作用面间的夹角
破裂角：
2 f 90
f
45
2
破裂面
问题:土体的最大剪应力面是否即剪切破裂面?
fr cr tgr
➢ 粘性土的残余强度可解释为,沿剪切面两侧非定向
排列的薄层微粒结构,随着剪应变的增加而逐渐转 化为沿剪切方向定向排列,因而土的抗剪强度随之 降低.
➢ 残余强度与土的结构关系不大,而主要取决于土的
矿物成分和有效法向应力的影响.
➢ 粘土的残余强度与它的应力历史无关.
➢ 在大剪位移下超固结粘土的强度降低幅度比正常
➢ 由于试样的侧向力为零，在轴向受压时，其侧向
变形不受限制，故又称无侧限压缩试验。
➢ 由于试样是在轴向压缩的条件下破坏的，因此把
这种情况下土能承受的最大轴向压力称为无侧限 抗压强度，以qu表示
极限应力圆
应用：
➢ 代替三轴试验（当3 =0）
➢ 可用来求土的灵敏度 缺点：
St
qu qu '
➢ 无粘性土以及太软土（流塑）不可
3
1 2
1
3
cos
2
1 2
1
3 sin 2
以上 ,与1, 3 可用莫尔圆表示， 如下图。
(二)、土的极限平衡条件的建立
如果给定了土的抗剪强度参数和c以及土中某点的应力 状态，则可将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上。 它们之间的关系有三种情况：
（1）莫尔圆位于抗剪强度包线下方（圆1），说明该点在任何
b.另一部分是粗颗粒之间互相镶嵌，联锁作用 产生的咬合力。 2）粘性土：除内摩擦力外，还有内聚力。 内聚力主要来源于：土颗粒之间的电分子吸引力和土中胶 结物质（硅、铁物质和碳酸盐等）对土粒的胶结作用。
二.莫尔-库仑强度理论 (一)、土体中任一点的应力状态
假定土层为均匀、连续的半空间材料，研究地面以下任一 深度处M点的应力状态。
所以说，抗剪强度与总应力没有唯一的对应关系，
而与有效应力有唯一的对应关系。
二.粘性土的残余强度指标 坚硬的超压密粘土的 曲 线l 可出现剪应力的峰值 ,
即为fp 土的峰值抗剪强度.峰后强度随剪切位移增大而 降低,称为应变软化特征.当剪切位移较大时,其强度最 终也降低至某一稳定值,这种终值强度称为残余强度. 试验证明,粘性土的残余强度同峰值强度一样也符合 库仑公式,即
有效应力法考虑了孔隙水压力的影响,只计入作用于 粒间的有效应力,试验证明,对于同一种土,不论采用何 种试验方法,只要能准确测量出孔隙水压力,则所得的 有效抗剪强度指标是相同的.它们有唯一对应的关系. 但测量孔隙水压力时,比较麻烦,需要精确评价地基强 度和稳定性时常采用.
抗剪强度的来源：
1）无粘性土：来源于土粒间的摩擦力（内摩擦力）。 包括： a.一部分由于土颗粒粗糙产生的表面摩擦力；
程中允许排水（排水）。
➢试验结论 a.正常固结饱和粘土
b.超固结饱和粘土
➢在整个试验过程中，土样中的孔隙水压力始终 为零，总应力最后完全转化为有效应力，所以总 应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有 效应力破坏包线。 ➢正常固结状态的土，其破坏包线通过原点。 ➢超固结饱和粘土在固结排水剪中先剪缩后剪胀, 但不会排出水分,反而因剪胀而有吸水的趋势,含 水量还要增加.
➢如果在较高的剪前固结压力下进行不固结不排水
试验，就会得到较大的不排水抗剪强度。
3.固结排水剪试验(又称慢剪,以符号CD表示)
➢试验过程
3 土样
u1 0
3
3
3
1 1 3
3 3
u u2 0
3
3
固结排水试验（CD试验）是在施加周围压力时充分排水
（固结），而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过
饱和粘性土的固结不排水抗剪强度受应力历史 的影响，所以首先要区分试样是处于什么样的固结 状态。
正常固结状态的试样在剪切过程中体积有减小的 趋势（剪缩），但由于不允许排水，故产生正的孔 隙水压力；而强超固结状态的试样在剪切过程中， 先表现为剪缩（产生正的孔隙水压力），然后转为 剪胀（产生负的孔隙水压力）。
下面仅研究平面问题，
在土体中取一微单元体，
作用在该单元体上的两个
主应力为 1, 31 3 ，
则作用在与大主应力作用面成 角的 mn 平面上的正应力
和剪应力 可根据静力平衡条件求得：
3ds sin ds sin ds cos 0 1ds cos ds cos ds sin 0
1 2
1
对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压
力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应 垂直压力的关系图。试验结果表明，对于粘性土f ~ 基本上呈直线关系，直线方程可用库伦公式表示； 对于无粘性土， f ~ 则是通过原点的直线。
直 接的 剪优 切点 仪
构造简单 操作方便
直 接的 剪缺 切点 仪
无粘性土
粘性土
（2）有效应力抗剪强度公式
f c' 'tg c'( u)tg'
式中 ' ——剪切破坏面上的有效法向应力(KPa ) u ——土中的超静孔隙水压力(KPa ) c' ——土的有效粘聚力(KPa ) ' ——土的有效内摩擦角(º)
c' ' 称为土的有效抗剪强度指标，同一种土，其值理论上 与试验方法无关，应接近于常数。
b a
ccu
0
超固结状态土的固结不排水试验
➢超固结状态的饱和粘性土的固结不排水剪切试验
得到的总应力破坏包线是一条略平缓的曲线，可近
似以直线ab代替，与正常固结状态土的固结不排 水破坏包线bc相交，bc的延长线通过原点。实用 上将abc折线取为一条直线。
➢由于超固结状态的土样在剪切破坏时，产生负的
孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右边。
➢试验结论 a.正常固结饱和粘土
➢ 剪切过程中不排水，根据有效应力原理可知，有
效应力圆与总应力圆直径相等，位置不同。
➢因为正常固结状态的试样在剪切破坏时产生正的
孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左边。
➢总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点，
说明固结压力为零的土不会具有抗剪强度。
b.超固结饱和粘土 超固结状态 正常固结状态 c
c
0
三轴压缩试验原理
三 轴的 压优 缩点 仪
能较严格地控制排水条件 剪切破坏面为最薄弱面
三 轴的 压缺 缩点 仪
试验设备、试验过程相对复杂
试样的受力状态为轴对称情况， 与实际土体的受力状态未必相符
无侧限抗压强度试验
➢ 三轴压缩试验当周围压力为零时即为无侧限试验
条件，此时只有轴向压力，所以也称单轴压缩试 验。